Диссертация (1025103), страница 9
Текст из файла (страница 9)
При этом скорость распыления каждой измишеней может устанавливаться и регулироваться независимо от другихмишеней. Распыляться могут как чистые полупроводниковые материалы(кремний и др.), так и полупроводниковые соединения (сульфид кадмия и др.)»[30].«Для распыления непроводящих материалов, ферритов и диэлектриковтребуетсяприменениевысокочастотныхэлектрическихполей.Высокочастотное напряжение в этом случае прикладывается к металлическойпластине, расположенной непосредственно за непроводящей мишенью. […]Скорость осаждения можно регулировать, изменяя мощность высокочастотногогенератора, напряженность магнитного поля и температуру подложки (скоростьосаждения увеличивается почти линейно с уменьшением температурыподложки).
Получаемые при этом пленки обладают большой прочностью иоднородностью и не выкрашиваются при разрезании подложки на пластинки.Это позволяет одновременно напылять большое число элементов. Привысокочастотном распылении нет необходимости нагревать подложки, так какнаивысшая скорость осаждения при высокочастотном распылении достигаетсяпри температуре подложки, равной +40 °C» [30].«Большим преимуществом ионно-плазменного метода перед другимиявляется его безынерционность. Распыление материала происходит лишь тогда,когда на мишень подается напряжение, и оно сразу же прекращается послевыключения напряжения.
При получении же пленок путем термическогораспыления в вакууме при выключении нагрева испарителя процессконденсации пленки на подложке не прекращается. Для его прекращения53применяют специальные заслонки, препятствующие прохождению пара отиспарителя к подложке» [30].«Плотность напыляемого ионного пучка можно регулировать изменениемтока эмиссии вольфрамового катода, давления инертного газа, а такженапряженности магнитного поля соленоида, с помощью которого легкоповысить концентрацию плазмы и увеличить скорость распыления принеизменном потенциале мишени. Скорость осаждения может изменяться вочень широких пределах: от нескольких ангстрем до нескольких тысячангстрем в минуту.
Количество распыленного материала линейно зависит отвремени, а толщина пленки при постоянном режиме разряда определяетсясоотношением между током мишени, напряжением на ней и временемраспыления. Для получения очень тонких пленок нужно подавать на мишеньнебольшое напряжение (около 200 В), при котором получаются очень малые ихорошо регулируемые скорости осаждения. Равномерность толщины пленкипри ионно-плазменном распылении достигает 1 ÷ 2 %, что значительно выше,чем при распылении в тлеющем разряде, где искажения вносятся непроводящейподложкой, расположенной между катодом и анодом» [30].«Рабочее давление при ионно-плазменном распылении лежит в диапазоне1·10-3 ÷ 5·10-4 Торр, что в 50 ÷ 100 раз меньше, чем при распылении в тлеющемразряде.
Длина свободного пробега при этом составляет от 5 до 25 см.Расстояние между источником распыления и подложкой может бытьустановленоменьшимдлинысвободногопробега.Благодаряэтомураспыляемые атомы практически не соударяются с молекулами газа и ионами впространстве между мишенью и подложкой, что резко уменьшает загрязнениепленки остаточными газами. Состав и свойства пленок, полученных методомионно-плазменного распыления, ближе к составу и свойствам исходногораспыляемого материала по сравнению с пленками, полученными путемраспыления в тлеющем разряде.
Материал мишени распыляется медленно, иего обычно хватает на несколько тысяч циклов распыления, чем достигаетсяхорошая повторяемость состава пленок. Прочность сцепления с подложкой54(адгезия) пленки, полученной ионно-плазменным методом, очень высока, чтообъясняется высокой энергией попадающих на подложку распыленных атомов.Эта энергия примерно в 20 раз больше энергии атомов, попадающих наподложку при термическом испарении в вакууме.
Высокая адгезия пленкиобъясняется еще и тем, что при ионно-плазменном методе удаетсяпредварительно хорошо очистить поверхность подложки тлеющим разрядом донапыления на нее материала мишени. При катодном распылении, гдераспыление начинается сразу же после возбуждения разряда, такую очисткуосуществить трудно» [30].1.3.Влияниеконцентрациииобъемногораспределенияизотоповводорода на физико-механические свойства и структуру конструкционныхматериалов термоядерного реактораУстановкитипаплазменныхфокусовотличаютсяуникальнымиусловиями, в которых на исследуемый материал одновременно воздействуютпучки заряженных частиц, нейтронное и электромагнитное излучение вшироком диапазоне длин волн – от инфракрасного до жесткого рентгеновского;также немаловажной особенностью являются параметры плазмы: плотность~1018 ÷ 1021 см-3 и температура ~1 кэВ. Таким образом, исследуемые материалыподвергаются комплексному воздействию этих факторов, поверхностный слойсильно разогревается за короткое время до наступления абляции.
Также наматериал оказывает воздействие ударная волна, которая возникает придвижении плазменного сгустка в рабочем газе плазменного фокуса сосверхзвуковой скоростью [52]. Для реакторов с магнитным удержанием плазмыособенно важно понимание механизмов воздействия образованной изотопамиводорода высокоинтенсивной плазмы на материалы. При работе реактора могутпроисходить срывы плазмы, приводящие к повышенной эрозии первой стенкии дивертора ТЯР, образованию трещин и структурных дефектов в материалахконструкции, повышенной степени распухания за счет высокой концентрации55газовых атомов и др. [1, 53, 54].
Таким образом, изучение процессов,происходящих при воздействии высокотемпературной импульсной плазмы нафизико-механическиесвойствакомпозиционныхструктур,являетсявнастоящее время актуальным [55-57].В Таблице 5 представлены систематизированные данные известных излитературы экспериментальных работ по проникновению и перераспределениюводорода и дейтерия в конструкционные материалы, облученных на установкетипа Плазменный фокус ПФ-4. Указано, какие сборки образцов былиисследованы, на каком расстоянии от анода установки ПФ они располагались,какому количеству импульсов подвергались и какой плазмообразующий газиспользовался при облучении (n – число импульсов, h – расстояние междуанодом и сборкой образцов, CD2 – дейтерированный полиэтилен).Таблица 5.Экспериментальные литературные данные по облучению сборокметаллических фольг на установке «Плазменный фокус» ПФ-4Лит.ГазСборка образцовnh, ммТолщина и тип фольгисточникD+Ni|Ni|Ni635Ni – по 90 мкм[58-61]H+Nb|Nb|Nb2035Nb – по 110 мкм[59-64]H+Nb|CD2|Nb2035Nb – по 110 мкм, CD2 –59-61,220 мкм65, 66]D+V|V1635V – по 300 мкм[59-61]D+Nb|Nb30?Nb – по 110 мкм[59]N+Ta|CD2|Ta3033V10100Ta – по 100 мкм, CD2 –220 мкм[67]D++0,2%H+V – 220÷330 мкм[2]56Таблица 5.
(Продолжение)W – по 100 мкм,D+W|W(D2O)|W1545(52)W(D2O) – означает Wфольгу в дейтериевой[68](тяжелой) водеW – по 100 мкм,D+W|W(дистил.)|W1545(62)W(дистил.) – означаетW-фольгу в[68]дистиллированной водеВ работе [68] при облучении дейтериевой плазмой сборки W|W(D2O)|Wбыло обнаружено заметное количество водорода и дейтерия с обратнойстороныближней к плазменному пучку фольги стопки. Увеличениеконцентрации водорода на данной стороне фольги авторы объяснилипреимущественным переносом примесного водорода, присутствующего висходной вольфрамовой фольге с ближней к аноду ПФ стороны фольги, на егообратнуюсторону ударнымиволнами,возникающимиподдействиемимпульсной дейтериевой плазмы.Увеличение концентрации дейтерия с обратной стороны фольги связано сдвумя причинами: переносом имплантированного дейтерия с ближней к анодуповерхности первой фольги на удаленную поверхность и его поглощением изтяжелой воды при ее диссоциации по реакции D2O 2D + O за счетвоздействия прямых и отраженных ударных волн.
По сравнению с первойфольгой, значения максимальной и интегральной концентрации водорода повсей толщине второй фольги выросли, а соответствующие концентрациидейтерия уменьшились, но дейтерия оказалось несколько больше с обратнойстороны второй фольги. Увеличение концентрации водорода на ближней каноду стороне второй фольги, по мнению авторов, можно объяснитьпреимущественным переносом примесного водорода, присутствующего в57исходной первой вольфрамовой фольге, ударными волнами, генерируемымиимпульсной дейтериевой плазмой. Присутствие дейтерия с обеих сторонвторой фольги, по-видимому, обусловлено также двумя процессами: переносомимплантированного дейтерия от импульсов ПФ с поверхности первой фольгичерез слой тяжелой воды на удаленные вторую и третью фольги и егопоглощением из тяжелой воды при диссоциации по схеме D2O 2D + O врезультате действия прямых и отраженных ударных волн от дейтериевойплазмы. На передней стороне третьей фольги достигнуты высокие значениямаксимальныхконцентрацийдейтерияиводорода.Нарядусэтим,наблюдаются также высокие значения и интегральных концентраций.Возможные причины таких изменений описаны выше.
На обратной сторонетретьейфольгидостигнутытакжевысокиезначениямаксимальныхконцентраций дейтерия и водорода. Наряду с этим высокие значения имеютинтегральные концентрации, которые по водороду близки к концентрации наудаленных от анода ПФ сторонах первой и второй фольг. Аналогичные данныебыли получены при облучении сборки W|W(H2O)|W.В работе [69] представлены результаты, полученные при изучениивоздействиявысокотемпературнойдейтериевойплазмынанакоплениедейтерия в поверхностном слое образцов малоактивируемых сталей – изнержавеющей аустенитной стали (25Cr12Mn20W) и ферритной 10Cr9W взависимости от числа импульсов на установке ПФ-60.
Были определены трирежима, в которых результаты облучения кардинально отличались друг отдруга.1) Режим, когда быстрые ионы практически отсутствовали, а плотностьмощности плазмы на мишени находилась в пределах q ≈ 105 ÷ 107 Вт/см2 (т. н.«тренировочнаясерия»ПФ).Вэтомслучаебылреализован«имплантационный» режим облучения и достигнута высокая концентрация(более 12 %) дейтерия в поверхностном слое образца. При этом распылениематериала было незначиительным, концентрация возрастала с увеличением58количества выстрелов, а распределение имплантированных ионов по глубинеопределялось диффузионными процессами (см. Рис. 1.4, а).абвРис.
1.4. Распределение концентрации дейтерия в поверхностном слое стали:а – 25Cr12Mn20W после 120-кратного воздействия плазмы при невысокойплотности мощности потока: 1 – центр зоны облучения, 2 – край зоны;б – 10Cr9W после воздействия 5 импульсных потоков плазмы и быстрых ионовсредней плотности мощности: 1 – центр зоны облучения, 2 – периферия зоны;в – 25Cr12Mn20W после многократного воздействия потоков плазмы и быстрыхионов высокой плотности мощности: 1 – 1 импульс, 2 – 2 имп., 3 – 4 имп.,4 – 8 имп., 5 – 16 имп.2) Режим, когда величина q возрастала до значений 107 ÷ 108 Вт/см2,причем энергетические вклады пучка быстрых ионов и плазмы были примерноодинаковы.
В этом случае имели место режим «детачмента», когда испаряемоебыстрыми ионами облако плазмы экранировало поверхность образца отвоздействия плазменных струй. Поэтому количество испаренного материаласоставляло лишь несколько процентов от ожидаемого, а концентрацияимплантированного дейтерия была максимальна у поверхности мишени(см. Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
